电解原铝直接铸造生产优质铝合金圆锭的工艺措施

    一、前言

    目前、我国大部分电解铝厂把电解铝液通过精炼,除渣除气,然后铸造成重熔铝锭出售;而铝型材厂购回上述铝锭,重新熔炼铸造,生产挤压用铝合金圆锭.

    假若在高温电解铝液添加合金,直接熔炼铸造成铝合金圆锭,缩短了工艺过程,省掉了铝锭重熔工序,节省设备投资和人工工资.利用电解原铝液直接生产圆锭,只要工艺措施得当,产品质量完全符合挤压生产工艺的要求.熔炼铸造成本300元/t-A,其中烧损0.8%左右、油耗4kg/t-A、电耗14kw/t-A、人工工资24元/t-A等.

    采用短流程生产工艺,充分利用了电解铝液的高温热能,节约了宝贵的能源,减少了烟气、粉尘对环境的污染,减少了铝液的烧损1%左右,每吨产品可以节约油料60kg以上,节电30多度,每一吨产品至少创造经济效益500-600元.

    然而,有些生产单位使用设备过于简陋,对电解铝液的特性缺乏了解,工艺措施不当,圆铸锭质量存在非金属夹杂多、气体含量高、晶体粗大、裂纹等质量缺陷.只要采取适当的工艺技术措施,加强管理,完全可以生产出优质圆锭,满足用户的需求.

    二、电解原铝液的特性

    1、电解原铝液温度高,气体含量高

    众所周知,电解铝生产过程是在高温条件下的电化学过程.当今,随着科学技术的发展,电解槽容量越来越大,电流强度高达350-500KA,电流效率达到94-95%.电解槽以碳块为阳极,以半石墨化碳块作阴极,一般温度在950-960℃之间.电解质成份很复杂,除主成份冰晶石之外,还加有Al2O3、CaF2、MgF2等,它们的含量分别为1.38-2.88% 、4.88-5.88% 和0.47-0.87% ;含水率除 AlF3 ≤7.5%外,其他均小于或等于1.0%.上述物料中的水份分别为附着水和结晶水,附着水在高温条件下,易于蒸发去掉,而结晶水在电解槽中进行化学反应3H2O+2AL→Al2O3+6[H],[H]溶解于电解铝液中,铝液温度越高,原子氢的饱和浓度越大.

    除了氢之外电解铝液还含有CO2、CO、CH4 和 N2.电解原铝液气体含量组成范围也很宽,H2:53-96%;CO2:2.5-30%;CO:20%;CH4:2.5%; N2:2.5%.对气体含量高的电解原铝液,必须采取行之有效的除气措施,才能消除它们的危害.

    2、电解原铝液杂质含量多

    液态原铝中的杂质主要为非金属杂质,也有少量金属杂质.非金属杂质含量最多为氧化铝,其次是氟化盐、碳化铝和氮化铝.电解过程中,加入电解槽中的氧化铝是砂状氧化铝.砂状氧化铝由α-Al2O3和γ-Al2O3,α-Al2O3≥25%;α-Al2O3呈球状、比重大、质地致密、表面积小,在电解质中,溶解速度慢,来不及溶解的α-Al2O3往往沉淀于槽底,少量混入阴极铝液中.而γ-Al2O3活性大,溶解速度快,一般不会在电解槽底沉积.一般来说,电解槽24小时抽取铝液一次,混入铝液中的α-Al2O3 随同铝液一块进入铝液抬包,倒进熔铸生产系统的熔炼炉内.

    电解原铝液中的金属杂质有硅、铁、锌、钛、钠等,但最主要的金属杂质还是硅和铁.这些杂质的来源主要有两个方面:一是来自原料及材料,例如采用碱法生产的氧化铝原料含有SiO2、Fe2O3、TiO2、ZnO、Na2O 等杂质,通过电解,生成了Si、Fe、Ti、Zn、Na等金属.二是来自电解槽内衬、工具、设备、尘土及其他.

    顺便说一下,在高温液态铝中,碳与钛反应生成TiC,TiC是液态铝合金在凝固过程中很好的非自发晶核,TiC的成核作用优于TiB2粒子,有利于合金铝液结晶时细化其晶粒,可惜含量太低.

    我国是全世界原铝产量最多的国家,采用短流程,利用电解原铝液太阳能电池直接生产铝加工所需要的扁锭和圆锭,这是铝工业发展的必由之路,也引起了有关部门的高度重视.有些大型电解铝企业,例如贵州铝厂、青海铝厂、包头铝厂、青铜峡铝厂等,近几年来,引进欧美国家的先进技术和先进设备,相继建成了自动化程度高技术一流的熔铸生产线,主体设备包括大型熔炼炉,大型液压倾动静置炉,大功率电磁搅拌器,在线氩气除气系统,液压铸造机及铸锭均匀化装备等.通过投料试车生产,产品质量上佳,取得了很好的经济和环境效益.

    也有一些企业,投资数百万元,建三台15吨熔炼炉、两台钢丝绳铸造机、一台单轨天车、一套偱环水系统,产能也可以达到75000吨/年.但是设备过于简陋,技术装备差,又不尊重学科,疏于管理,粗制滥造,产品质量差,问题成堆.对于这一类企业,如何进行设备改造,加强技术管理,改进工艺技术措施,完善工艺制度,生产合格产品.在这里,谈谈自己的看法,供同行参考.

    三、用电解原铝液生产园锭的工艺技术措施

    1、熔炼工艺技术的改进

    采用电解原铝液生产铝合金圆锭,普通6063铝合金占90%以上,偶尔也生产一点3003、6061、6082、6005、5052之类的铝合金.这些铝合金生产,固液相温度范围小,冷热裂纹倾向小,技术难度小.不像2XXX系列硬铝和7XXX系列超硬铝那样,合金成分元素多,范围宽,由于结晶温度范围宽,固液区塑性低,具有极大的形成热裂纹和疏松的倾向性,同时还应考虑杂质元素Si、Fe的比例对合金性能带来的影响,考虑采用加入铜、锰、铬、来改善合金的耐蚀性,加入钛、锆改善铸锭和再结晶组织.

    熔炼炉在倒铝水之前,先把不带水份的干燥头尾料加到熔炼炉炉底.铝电解槽液温度很高,正常情况下高达950-965℃,槽底铝液温度也不低于940℃.铝液倒进熔炼炉之后,还有820-860℃.为了防止高温下铝液氧化,立即撒上一层覆盖剂覆盖熔体表面.由于覆盖剂的熔点比铝液温度低,密度比熔体小,还具有良好的润湿性能,在熔体表面形成一层连续的液体保护膜,将炉内熔体与空气隔开.

    一般情况下,氧气或水蒸汽不能或很少能透过此覆盖层与铝液进行反应,而溶解在电解液中的氢原子由于其半径很小,则可以穿透覆盖层而逸出.

    由于电解原铝液气体与杂质含量高,针对上述成份特点,必须加强熔体精炼工序.精炼通常采用粉状精炼剂、用氮气吹炼;首先必须确保精炼剂和氮气质量.生产6063铝合金铸锭,一般采用1#精炼剂;目前、国内市售精炼剂种类繁多,而绝大多数企业均以保密为由,不向用户说明成分组成,加之供应商之间价格竞争激烈,个别不良精炼剂生产厂家便从化工原料选用,配方搭配及加工方法上偷工减料,精炼剂一定要确保质量,认真选用.深圳派瑞科治金材料有限公司的精炼剂质量较好,不妨试用一下.氮气自己不能制造,采用市售工业氮气,纯度为99%,那么氮气还有1%的氧气和水份,吹气时间越长,带到铝液中的水份及氧气越多.精炼所用氮气必须确保氮气纯度≥99.995%.建一条流量为20M3的制氮生产线,设备投产不到20万元,最多一年收回设备投资.既保证了氮气纯度,又节约了生产成本何乐而不为.

    采用优质精炼剂和高纯氮气,在730-750℃温度条件下,进行两次精炼.第一次精炼精炼剂用量2.5kg/t-A,精炼时间25-30min;精炼后扒渣、加镁、补火.第二次精炼精炼剂用量1.5kg/t,精炼时间15-20min.第二次精炼完成之后,扒渣、取样分析、成份合格之后,再撒一层覆盖剂,炉内静置30min.

    采用熔剂吸附精炼,精炼的效果除了与精炼剂的好坏氮气纯度的高低息息相关之外,而且与精炼的操作也密切相关.因为吹气精炼是建立在分压扩散除气和浮选除渣基础上的.只有与精炼气体、粉剂产生紧密接触的区域才有精炼作用.操作工人必须遵守操作规程,让精炼器沿着炉底,在熔炼炉四角,前后左右均匀移动,让所有的铝液都与精炼剂、氮气充分接触,不留死角.气体精炼的效果更主要取决于气体分散度和气泡的大小.气泡的尺寸愈小,除气效果愈好.因为气泡愈小,则由同体积气体造成的气泡数愈多,表面积愈大;而且上浮速度越慢;与熔体接触的时间越长.采用普通丁字形精炼器时,气泡的直径约为10mm ,效果非常好;若采用直径15mm钢管作精炼器,气泡直径可达300mm以上,使用更多的氮气,除气效果依然很差.

    采用熔剂吸附精剂,精炼剂直接与铝融体相接触,通过吸附扩散作用,从而达到除渣的良好效果.同时,精炼剂也还有除气作用.熔剂的除气作用主要表现在三个方面:一是随络合物γ-Al2O3.XH的除去而除去被氧化夹杂所吸收的部分络合氢.二是熔剂产生分解而与熔体相互作用时形成气态产物,进行扩散除氢.三是熔体表面氧化膜被熔剂中的冰晶石溶解而使得熔解于铝液中的原子氢向大气扩散变得容易.

    静置的目的:一是便于精炼油载体上游将铝液中的气体和细小的非金属夹杂物带出液面,二是便于大块的非金属夹杂物下沉至炉底.

    2、铸造工艺技术的改进

    由于电解原铝液与铝锭重熔铝液配成铝合金精炼之后,其性质仍然有所区别,前者杂质含量稍高,粘度稍大,流动性稍差.固此,在铸造圆锭时,为了保证流动性,前者的铸造温度应比后者高10℃左右,对于6063铝合金来说,应把铸造温度控制在725-740℃.连续铸造时,合金液的流动性愈好,则铸锭在凝固期间产生的缩孔更易得到补缩,铸锭在凝固末期收缩受阻而产生的热裂纹也更易得到及时的焊合,铸锭表面形成冷隔的倾向性也更小,对于气体和杂质的上浮也有好处.因此,只有稍许提高电解原铝合金液的铸造温度,提高其流动性,方能获得优良的圆锭.

    根据铝合金的结晶特点,晶核的形成不是来源于铝合金熔液过冷而自发生核,实际上总是产生于铝合金熔液中的活性杂质.电解原铝液合金中杂质含量虽然高于铝铸重熔合金液中的杂质,但前者中的杂质长时间处于940-960℃的高温环境下,已经丧失了其活性变成了惰性杂质,不能成为结晶核心.所以用电解原铝液生产铝合金圆锭,只有依靠外来晶核,增大Al-Ti-B丝的用量,才能得到晶粒细小的等轴晶组织.通过生产实践表明,Al-Ti-B丝用量应增大到3.5-4.0kg/t,比重熔铝锭合金液要增加50%,否则,圆铸中会产生粗大的等轴晶或柱状晶组织.

    铸锭的结晶速度是决定铸锭品质的重要因素,通常,结晶速度愈大,铸锭的结晶组织愈细小,力学性能就愈好.降低偱环水温度,增大冷却水压力,可以降低铸锭表面温度,提高铸锭凝壳内的温度梯度,增加导热强度,有利于提高铸锭的结晶速度.在生产实践中,确保铸锭不产生热裂纹的前提下,尽量提高铸造速度.

    用电解原铝液生产的6063铝合金圆锭,头尾料与重熔铝锭生产的产品有很大的差别,头部往往产生粗晶组织,尾部夹气严重.铸造开始时,有意识在流槽中放一些Al-Ti-B丝,或增大喂丝机的速度,还是难以消除粗晶组织,因此,锯切时,增加头部长度为铸锭直径的2倍,可以去掉粗晶组织.

    铸锭尾端,晶粒组织仍然是细小等轴晶组织,主要表现为铸锭结构疏松,氢气含量高.由于铸造过程即将结束,炉内金属液量少,温度低,流动性差.适当降低铸造速度,合金液还是难以完全补充合金在液态和凝固态的体积收缩而产生的细小而分散的孔洞,于是便导致了宏观和显微收缩疏松的形成.尾部锯切长度控制在铸锭直径的1.5倍.只有切足头尾废料,才能确保产品质量.

    四、结论

    1、电解原铝液具有温度高、气体含量高、杂质多、结晶形核活性质点少的特点.

    2、在熔剂吹氮精炼时,选用优质熔剂、高纯氮气,加大熔剂用量到4.0kg/t,精炼时间延长到40-50min,充分除渣排气,提高铝合金液质量.

    3、6063铝合金铸造温度为725-740℃,Al-Ti-B细化剂添加量为3.5-4.0kg/t,降低水温,增大水压,提高结晶速度,可以生产出晶粒细小的优质圆铸锭.

    4、留足头、尾料,去除头尾段质量缺陷,保证产品质量.

    作者:曾奇才,邹万军